Процесс кристаллизации

Рассмотрим, как происходит образование кристаллов у чистых металлов. Установлено, что процесс кристаллизации металлов из жидкого состояния в твердое идет в две стадии:

• образование центров кристаллизации;

• рост кристаллов вокруг этих центров (рис. 6).

г д е

Рис.6. Процесс кристаллизации металлов и сплавов:

а—е — последовательные этапы процесса

Далее вновь появляются новые центры, и происходит рост твердой фазы вокруг первичных и вторичных центров.

Процесс происходит до того момента, пока образованные таким образом кристаллы не будут соприкасаться друг с другом и не будет наличия жидкой фазы металла (см. рис.6, г—е).

Когда образование кристалла идет в жидкой фазе (в расплавленном металле), он будет иметь правильную форму, т.е. состоять из определенных геометрических фигур правильной формы.

Когда кристаллы начинают соприкасаться друг с другом, а процесс затвердевания еще не закончен, тогда происходят искажения формы зерен.

В практике замечено, что когда идет быстрое охлаждение, образуются мелкие зерна — мелкозернистая структура.

При медленном охлаждении появление новых центров кристаллизации замедляется, но происходит рост зерна вокруг первичных центров кристаллизации. В этом случае металл будет иметь крупнозернистую структуру.

Процесс образования кристаллов в жидком состоянии и перехода металла в твердое состояние называется первичной кристаллизацией. Величина и форма зерна влияет на механические свойства металлов.

Чем зерна мельче и чем правильнее их форма, тем большую твердость и прочность будет иметь металл.

Чем зерна больше и чем искаженнее их форма, тем ниже твердость и прочность металла.

Аллотропия металлов

Такие металлы, как железо, кобальт, никель и др., обладают способностью изменять кристаллическую решетку при нагревании в твердом состоянии.

Процесс изменения кристаллических решеток в твердом состоянии называется вторичной кристаллизацией, или аллотропией, а состояние вещества (металла) при наличии нескольких кристаллических решеток при изменении параметров (давления, температуры) — аллотропическими модификациями, или полиморфизмом.

Такие металлы, как железо, молибден, вольфрам, литий в твердом состоянии при нормальной температуре имеют объемно-центрированную кубическую ячейку; алюминий, медь, серебро в твердом состоянии при нормальной температуре имеют форму гранецентрированной кубической ячейки.

На рис.7 представлены кривые нагрева и охлаждения металла (на примере марганца).

Аллотропные, состояния (модификации), имеющие те или иные кубические ячейки, обозначаются греческими буквами.

Первоначальное аллотропное состояние при нормальной температуре обозначается буквой а, при дальнейших повышении температуры и перекристаллизации металла — буквами y, b.

При охлаждении металлов и сплавов процесс аллотропного превращения происходит в обратном порядке, как правило при тех же температурах.

Перестройка атомных решеток происходит всегда при каких-либо постоянных температурах.

Эти температуры получили название критических температур. На диаграммах (графиках) критические температуры обозначаются соответствующими точками, которые называются критическими точками. При образовании новой кристаллической решетки происходит изменение свойств металлов.

Рис. 7. Кривые нагрева (а) и охлаждения (б) марганца:

t — температура;

т — время

Таблица 1